lecciÓn 13 rendimiento calderas

UNIVERSIDAD DE LENDpto. de Ingeniera Elctrica y Electrnica

RENDIMIENTOINSTANTANEO Y

ESTACIONAL1

DEFINICIONESDIRECTIVA 92/42/CEE DEL CONSEJO DE LA UNIN EUROPEA. (ART. 2 )

Caldera: El conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador, destinado a transmitir al agua el calor liberado por la combustin.

Potencia nominal til Pu: La potencia calorfica mxima que, segn determine y garantice el constructor, se puede suministrar en funcionamiento continuo, ajustndose a los rendimientos tiles declarados por el mismo constructor. En adelante se denominar simplemente potencia til Pu, para distinguirla de la potencia nominal Pn con la que se designa la potencia en el hogar de la caldera.

Potencia til Pu: Es igual al producto del caudal msico del fluido portador (kg/s), por su calor especfico (kJ/kg K) por el diferencial de temperatura entre salida y entrada a la caldera.

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DEFINICIONES

Potencia nominal Pn: 0 potencia en el hogar, es igual al producto del caudal del combustible (kg/s o mn3/s) por su Poder Calorfico Inferior PCI a presin constante (kJ/kg o kJ/mn3 segn se trate de combustible slido y lquido o gaseoso, respectivamente).

El subndice n est indicando condiciones normales: 15C y 101.325 Pa.

Todas las magnitudes que representan flujo de calor en la unidad de tiempo (potencia) se expresarn siempre en kW.

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4PRDIDASPrc : Prdidas de calor a travs del cuerpo de la caldera, por radiacin, conveccin y

conduccin.

Ph: Prdidas por calor sensible en los gases de escape, o prdidas en la chimenea, debidas a la diferencia de temperatura entre los humos y el aire de combustin.

Pi: Prdidas por inquemados (debidas, fundamentalmente, a la presencia de monxido de carbono CO).

Las mismas prdidas representadas con la letra p minscula indicarn los valores unitarios referidos a la potencia nominal Pn, que se expresarn en tanto por uno o tanto por ciento.

Se designarn con Q o q las respectivas cantidades de calor a lo largo de una temporada (que se expresarn en kJ o kWh, aunque sta no sea una unidad de medida del sistema SI), equivalentes a la integral en el tiempo de las potencias P y p:

=t

PQ =t

pq

5RENDIMIENTOSRendimiento til: La relacin entre el flujo de calor transmitido al agua de la caldera y el producto de la capacidad calorfica inferior a presin constante del combustible por el consumo expresado en cantidad de combustible en la unidad de tiempo. En otras palabras: el rendimiento til es la relacin entre la potencia til y la potencia nominal antes definidas (sobre el PCI).

Se har distincin entre rendimiento instantneo i y el rendimiento medio estacional e , en tanto por uno o tanto por ciento. Por definicin, los dos rendimientos se expresan mediante las siguientes ecuaciones:

Q : cantidad de calor a lo largo de una temporadaP : potencia

n

ui P

P=n

ue Q

Q=

=t

PQ

6DEFINICIONES: CALDERAS Carga parcial: Relacin entre la potencia til de una caldera que funcione de forma intermitente o a una potencia inferior a la potencia til nominal y esta misma potencia til nominal.

Temperatura media del agua en la caldera: La media de las temperaturas del agua a la entrada y a la salida de la caldera. Se indicar con el smbolo tm.

Caldera estndar: La caldera cuya temperatura media de funcionamiento puede limitarse a partir de su diseo (se denominar tambin caldera convencional, para distinguirla de las calderas de alto rendimiento, sean de baja temperatura o de condensacin).

Caldera de baja temperatura: Una caldera que puede funcionar continuamente con una temperatura de agua de alimentacin entre 35C y 40C y que, en determinadas circunstancias, puede producir condensacin.

Caldera de gas de condensacin: Una caldera diseada para poder condensar de forma permanente una parte importante del vapor de agua contenido en los gases de la combustin.

7CALOR ESPECIFICOcph: calor especfico a presin constante de los humos, en kJ/[mn3K]

En la tabla 1 se indica el calor especfico medio de los principales componentes de los productos de la combustin, entre las temperaturas de 15 y 200C. Para hallar el calor especfico de los humos habr que efectuar la media ponderada en volumen de cada uno de sus componentes.

Ch: Cantidad de humos, en mn3 por unidad de combustible, es decir: mn3/kgpara combustible slido o lquido y mn3/ mn3 para combustible gaseoso.

8COMBUSTIBLES - PCIPCI: Poder Calorfico Inferior del combustible, expresado en kJ/kg si se trata de combustible slido o lquido y en kJ/mn3 si se trata de combustible gaseoso

En la tabla 2 se indican los valores medios de PCI (en kJ),Poder comburvoro: cantidad de aire necesaria para una combustin estequiomtrica, en mn3.Poder fumgeno: Cantidad de humos producidos por una combustin estequiomtrica, en mn3 ,por unidad de combustible (mn3 para combustibles gaseosos y kg para combustibles lquidos o slidos)Porcentaje estequiomtrico de CO2, para los combustibles ms comnmente empleados.

TEMPERATURASTh: Temperatura de los humos, en C

Tac: Temperatura del aire de combustin, en C (igual a la temperatura del local donde est instalada la caldera)

Tph: Temperatura de la pared del tubo en contacto con los humos, en C

Tpa: Temperatura de la pared del tubo en contacto con el agua, en C

Ta: Temperatura del agua, en C

(CO2) : Contenido de dixido de carbono en los humos (% en volumen).

(CO): Contenido de monxido de carbono en los humos (% en volumen).

PCco: Poder Calorfico del monxido de carbono = 12.640 kJ/ mn3.

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HORAS

h: Horas totales de funcionamiento del generador a lo largo de una temporada; es decir: las horas en disposicin de servicio del generador.

hu: Horas de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, necesarias para suministrar solamente el calor til demandado por la instalacin.

hq: Horas totales de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, en las que se suministra el calor til demandado por la instalacin ms el calor de las prdidas por disponibilidad.

10

11

RENDIMIENTOS MNIMOS 4 kW-400 kW

Ui Pba log+=

A potencia nominal: funcionando a la potencia nominal Pn y para una temperatura media del agua de 70C.A carga parcial: funcionando con una carga parcial del 30% de Pn y para una temperatura media del agua variable segn el tipo de caldera.El rendimiento instantneo se calcula mediante esta ecuacin:

Donde log es el logaritmo en base 10 y a y b son dos coeficientes cuyo valor es el que se indica en la tabla 3.

RENDIMIENTOS MNIMOS 4 kW-400 kWDIRECTIVA 92/42/CEE DEL CONSEJO DE LA UNIN EUROPEA.

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RENDIMIENTOS MNIMOS 4 kW-400 kW

El estudio de estas tablas lleva a hacer dos consideraciones muy importantes:

A plena carga: a las calderas convencionales se exige un rendimiento mnimo bastante inferior que a las otrasMs de 2 puntos inferior con respecto a las de baja temperatura y ms de 4 puntos con respecto a las de condensacin de gas.

A las calderas convencionales se les exige un rendimiento mnimo inferior a carga parcial que a plena carga, mientras que para las calderas de baja temperatura se exige el mismo rendimiento en las dos condiciones de carga y para las de condensacin de gas el rendimiento exigido aumenta en 6 puntos

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%100 enppp ihcri =

RENDIMIENTO INSTANTANEO

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RENDIMIENTO INSTANTANEO

n

ui P

P= ihcrNu PPPPP =

n

i

n

h

n

cr

n

ni P

PPP

PP

PP =

ihcri ppp =1%100 enppp ihcri = 15

16

PERDIDAS DEL CUERPO DE LA CALDERASon esencialmente las prdidas que tienen lugar por radiacin y conveccin a travs de la envolvente aislada del generador, siendo las prdidas por conduccin a travs de la bancada de apoyo absolutamente despreciables.Las prdidas por el cuerpo de la caldera dependen de la temperatura media del agua en la caldera y de la temperatura de la sala de mquinas, la del aire (que afecta a las prdidas por conveccin) y la de los cerramientos (que afecta a las prdidas por radiacin), as como de las caractersticas del generador de calor, es decir el espesor y la conductividad trmica del material aislante del cuerpo de la caldera y la superficie del mismo, sea la que est aislada como la que lo est solo parcialmente (puertas y cajas de humos). Gracias a los avances tecnolgicos introducidos en la fabricacin de los modernos generadores de calor, estas prdidas se han reducido, hoy en da, a valores globales comprendidos entre el 0,5% y el 2% de la potencia nominal.Estas prdidas se determinan por va experimental en un banco de pruebas. Para las calderas convencionales, que funcionan a temperatura constante, puede emplearse el procedimiento de clculo publicado en el nmero 91 del BOE de 16 de abril de 1983.En la figura 2 se dan unos valores orientativos en funcin del tipo de caldera y de su potencia (segn VDI 3.808), con temperatura del agua de 80C (si las calderas tuvieran acumulador, las prdidas seran de un 0,5% hasta un 1% ms elevadas).

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PERDIDAS EN EL CUERPO DE LA CALDERA qrc EN FUNCIN DE LA POTENCIA TILDE LA CALDERA

18

PRDIDAS DE CALOR SENSIBLE EN LOS HUMOS

( )100 achphhh TTPCIcC

p =

( ))( 2CO

TTp achh=

( )achh TTbCOap

+=

)( 2

Ch: Cantidad de humos, en mn3 por unidad de combustiblecph: calor especfico a presin constante de los humos(8)

(10)

(9)

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PRDIDAS DE CALOR SENSIBLE EN LOS HUMOS

I. Gas natural: caldera con hogar presurizado, 10% de exceso de aire, porcentaje de CO2, en los humos 10,5%, temperatura del ambiente 15 C, temperatura de los humos 170 C para calderas de alto rendimiento y 230 C para calderas convencionales.lI. Gasleo: 20% de exceso de aire, porcentaje de C02 en los humos 12,5%, temperatura del ambiente 15C, temperatura de los humos 170 C para calderas de alto rendimiento y 230 C para calderas convencionales.Los resultados de los clculos se indican en la tabla 8:

Estas prdidas suelen estar comprendidas entre el 6 y el 10% de la potencia nominal, dependiendo, fundamentalmente, de la temperatura de los humos. Ejemplo: se calculan estas prdidas con las tres ecuaciones para las siguientes condiciones (valores en tanto por ciento):

(8)

(9) SIEGERT

(8) HEINISCH

( )100 achphhh TTPCIcC

p =

( )achh TTbCOap

+=

2

( ))( 2CO

TTp achh=

PRDIDAS POR INQUEMADOS

)11()(PCI

COPCCp COhi =

Por cada 1% de contenido de CO en los humos las prdidas estn comprendidas entre un 5 y un 7%. En consecuencia, considerando que el valor mximo admisible del contenido de CO es igual a un 0,1%, se deduce que estas prdidas estn por debajo del 0,5% de la potencia nominal.

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CONSIDERACIONES SOBRE LAS PRDIDAS En los prrafos anteriores se han examinado con cierto detalle las ecuaciones necesarias para el clculo de las prdidas instantneas de un generador, llegando a la conclusin de que las prdidas de calor sensible de los humos ph, son las ms importantes para la determinacin del rendimiento instantneo.

Sin embargo, en la determinacin del rendimiento anual las prdidas ms importantes son las ocasionadas por conveccin y radiacin del cuerpo de la caldera, como se ver con detalle ms adelante. Estas prdidas estn siempre presentes, sea cuando la caldera funciona, como cuando est en disposicin de funcionar. De aqu se deriva la expresin, muy significativa, de prdidas por disponibilidad, que se usar en adelante.

A lo largo de una temporada las prdidas en la chimenea son proporcionales al tiempo durante el cual el generador est suministrando calor a la instalacin, mientras que las prdidas por el cuerpo de la caldera son proporcionales al tiempo durante el cual la caldera est en disposicin de funcionar, esperando la demanda de calor. Se volver ms adelante sobre este concepto, cuando se hable del rendimiento medio estacional.

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CONSIDERACIONES SOBRE LAS PRDIDASEn la figura 3 se indican los rendimientos instantneos de una caldera de tipo convencional y otra de baja temperatura en funcin de la demanda. Obsrvese la divergencia de las curvas al disminuir la carga.

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El rendimiento instantneo de la caldera de baja temperatura aumenta al disminuir la carga, al contrario de lo que sucede con una caldera convencional. La razn est en que con la caldera de baja temperatura se puede disminuir latemperatura media de funcionamiento al disminuir la carga, lo que se traduce en una disminucin de las prdidas en los humos ph y del cuerpo de la caldera prc.

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TEMPERATURA DEL PUNTO DE ROCO DE LOS HUMOS

La disminucin de la temperatura del agua de caldera con la demanda estlimitada, en las calderas convencionales, por la temperatura del punto de roco de los humos.El vapor de agua en los humos empieza a condensar a la temperatura del punto de roco de la mezcla de gases. Esta temperatura es la temperatura de ebullicin (o de condensacin) del vapor de agua en la mezcla, que depende de su presin parcial que, a su vez, depende del contenido de vapor en los humos.Ley de Dalton: cada componente de una mezcla de gases tiene una presin parcial que es proporcional al volumen ocupado por el mismo y la suma total de estas presiones es igual a la presin total de la mezcla de gases. Por ejemplo: Si se considera una mezcla de gases a la presin atmosfrica (101.325 Pa) con el 15% en volumen de vapor de agua, la presin parcial de ste en la mezcla ser igual a: 0,15 x 101.325 = 15.200 Pa =152 mbarLa temperatura de ebullicin (o de condensacin) del vapor a esta presin es de 54,3 C, aproximadamente, y sta es tambin la temperatura de condensacin de la mezcla de gases, o temperatura del punto de roco. En la tabla 9 se reproducen las temperaturas del punto de roco de diferentes productos de la combustin en funcin del exceso de aire.

+= 3,237269,17

5,610 ePsat

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TEMPERATURA DEL PUNTO DE ROCO DE LOS HUMOS TEMPERATURAS DEL PUNTO DE ROCO DE DIFERENTES PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN EN FUNCIN DEL EXCESO DE AIRE

La temperatura del punto de roco no es la temperatura a la que todo el vapor de agua condensa, sino que es la temperatura a la que el vapor empieza a condensar.En efecto: al condensar el vapor, el volumen del mismo en la mezcla de gases y su presin parcial disminuyen y, en consecuencia, se reduce la temperatura del punto de roco. El proceso acaba cuando la temperatura de roco iguala a la del gas.Por ejemplo: supongamos que un gas tenga el 17% en volumen de vapor de agua

y que su temperatura de roco sea de 57 C. Si a la temperatura de 50 C el contenido mximo de vapor de agua es del 12%, desde la temperatura de 57 C hasta la temperatura de 50 C se condensar solamente el (17-12)/17 = 29% del contenido de vapor de agua.

TEMPERATURA DEL PUNTO DE ROCO DE LOS HUMOS En la figura 4 se representa grficamente la variacin de la temperatura del punto de roco del gas natural (con un contenido del 95% de metano CH4) y del gasleo en funcin del contenido de anhdrido carbnico CO2 en volumen. Se observa que, a paridad de contenido de CO2, la temperatura del punto de roco del gas natural es superior a la del gasleo porque la combustin del metano produce ms vapor de agua y menos CO2 que la del resto de hidrocarburosLa condensacin se produce con ms facilidad cuanto ms elevada sea la temperatura del punto de roco de los gases. ste debe ser considerado un hecho positivo en las calderas de condensacin a gas.La formacin de condensacin sobre la pared del tubo es particularmente peligrosa cuando se emplean combustibles que contienen azufre (p.e., gasleo y, ms an, fuelleo). Durante la combustin, el azufre se oxida a anhdrido sulfuroso SO2 y, en parte, a anhdrido sulfrico SO3. Ambos gases, que en estado seco no son corrosivos, en contacto con el agua de condensacin se transforman en cido sulfuroso (SO3H2) y sulfrico (SO4H2) respectivamente. Estos cidos, al atacar al acero de los tubos, provocan su perforacin.

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Figura 4

26

27


Figura 5

Para evitar la condensacin en las paredes de los tubos, quedan dos posibilidades: a) Reducir la temperatura del punto de roco de los gases aumentando el exceso de aire de combustin. En la prctica esta medida no se puede llevar a efecto porque el aumento del exceso de aire llevara aparejado el aumento de las prdidas de calor sensible en la chimenea y, por lo tanto, disminucin del rendimiento y acumulacin de holln. b) Buscar un diseo especial de las superficies de intercambiotrmico entre humos y agua, precisamente como se hace en las calderas de baja temperatura.En la figura 5 se indican la seccin de un tubo de humos y las temperaturas de los fluidos y de las paredes en contacto con losmismos y con el fluido portador (agua). Se observa que el diferencial de temperatura entre humos y pared es mucho mayor que entre pared y agua, hecho que se debe atribuir a que el coeficiente de convencin lado humos es muy inferior (es decir, la resistencia trmica es muy superior) al mismo coeficiente lado agua.

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En la primera parte de la figura se ha representado la pared de un tubo y en la segunda el mismo tubo constituido por dos tubos concntricos, uno dentro de otro. Si el contacto fuera perfecto, la resistencia trmica provocada por el corte sera nulo; el perfil de temperatura sera igual para ambas soluciones. Sin embargo, como se indica en la tercera parte de la figura, si el contacto entre las superficies concntricas de los dos tubos no es perfecto, porque se ha creado una cmara de aire, se produce un aumento de la resistencia trmica y, a paridad de flujo de calor, debe aumentar el diferencial de temperatura entre humos y agua. sta es, precisamente, la tecnologa que emplean las calderas de baja temperatura: aumentar la resistencia de la pared del tubo para, a paridad de otras condiciones, aumentar la temperatura superficial del tubo lado humos por encima de la temperatura del punto de roco. Ntese que el empleo de esta tcnica obliga aumentar la superficie de intercambio trmico entre humos y agua, a paridad de potencia a transmitir y por lo tanto, a disminuir la carga trmica en el hogar.


Figura 5

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TEMPERATURA DEL PUNTO DE ROCO DE LOS HUMOSDe otra parte, si se considera una seccin longitudinal de un tubo, resulta evidente que la temperatura de los humos disminuye en el sentido de movimiento de los mismos. Si la resistencia de la pared del tubo fuera constante, la disminucin de la temperatura de los humos conducira a una disminucin de la temperatura de la misma pared, a paridad de temperatura del agua. En consecuencia, el tubo sufrira tensiones longitudinales que podran llevar a la rotura de los cordones de soldadura en las placas frontal y trasera, a parte de que podran darse condensaciones. Para evitarlo, algunos fabricantes construyen los tubos de manera que su temperatura superficial sea constante en el sentido longitudinal. La resistencia de contacto entre los dos tubos concntricos se hace aumentar en el sentido del movimiento de los humos, variando oportunamente el nmero y espesor de las cmaras de aire.Es evidente que el artificio de aumentar la superficie de una caldera convencional o, lo que es lo mismo, reducir su potencia nominal a paridad de superficie no es suficiente para transformar una caldera convencional en una de baja temperatura, porque no se podran evitar condensaciones sobre las superficies de los tubos.En las calderas de condensacin, sin embargo, la formacin de aguas agresivas sobre las paredes de los tubos hace necesario recurrir al empleo del acero inoxidable, an cuando el combustible sea gaseoso, es decir exento de azufre.

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RENDIMIENTO ESTACIONALPara el clculo del rendimiento estacional se tomarn de nuevo las ecuaciones del captulo anterior, que habr que integrar en el tiempo. El rendimiento medio estacional de un generador de calor se expresa mediante la siguiente ecuacin (en tanto por uno):

Que representa la relacin entre la cantidad anual de calor til y la cantidad anual de calor generado y que es la integral de la ecuacin (3) a lo largo de las horas totales de funcionamiento del generador h.Procediendo de la manera empleada para el rendimiento instantneo y despreciando las prdidas por inquemados, el rendimiento medio estacional, en tanto por ciento, se expresa mediante esta ecuacin (vase la anloga ecuacin (7) para el rendimiento instantneo):

Donde el trmino qB representa la prdida relativa media anual por radiacin y conveccin de la caldera y se denomina tambin consumo de mantenimiento. Se ha empleado el trmino qB en lugar que qrc en consonancia con la terminologa de la norma europea y espaola UNE EN 303, parte 2; el subndice B viene del alemn Betriebsbereitschaftsverluste que literalmente significa prdidas por disponibilidad de servicio.

)12(n

ue Q

Q=

)13(100 hq

Be qhhq =

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RENDIMIENTO ESTACIONALPara calderas de alta eficiencia las prdidas qB pueden considerarse iguales, aproximadamente, a 2/3 3/4 de las prdidas instantneas a travs del cuerpo de la caldera prc ; asumiendo un valor medio igual a 0,7 resulta:

El trmino qB de la ecuacin (13) est multiplicado por el factor h/hq que es la relacin entre las horas en las que la caldera est en disposicin de servicio y las horas en las que el quemador est funcionando, obviamente mayor que uno.Es evidente que: La cantidad (h-hq) representa el tiempo durante el cual estando la caldera en disposicin de servicio, el quemador est parado. La cantidad (hq-hu) representa el tiempo durante el cual el quemador suministra el calor para compensar las prdidas en disponibilidad de servicio.El tiempo hq puede calcularse como relacin entre el consumo anual de combustible Ca y el consumo horario Ch es decir:

El clculo efectuado de esta forma no da resultados muy exactos. En consecuencia, es recomendable emplear el procedimiento de clculo de las normas alemanas VDI 2067 [ref. 5] y VDI 3808 [ref. 6], segn se indica a continuacin.

rcrcB pqq 7,0==

)14(100

100/n

ia

i

n

a

h

aq P

PCIC

PCIPC

CCh

===

32

RENDIMIENTO ESTACIONALSiguiendo la terminologa de estas normas, se emplear el smbolo para indicar el denominado factor de carga. Donde hu puede calcularse conla siguiente ecuacin:

De esta ecuacin se deduce que si las prdidas qBfueran igual a cero sera hu igual a hq

Segn las normas VDI antes citadas,el rendimiento medio estacional e se puede expresar mediante esta ecuacin:En la que todos los trminos del segundo miembro (i , qB , y ) pueden hallarse con relativa facilidad. El rendimiento estacional siempre ser inferior al rendimiento instantneo, porque las prdidas qB nunca son nulas y/o nunca es igual a uno.

hhu=

B

Bqu q

qhhh

=1

)16(111 B

ie

q

+=

h: Horas totales de funcionamiento del generador a lo largo de una temporada; es decir: las horas en disposicin de servicio del generador.hu:Horas de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, necesarias para suministrar solamente el calor til demandado por la instalacin.hq: Horas totales de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, en las que se suministra el calor til demandado por la instalacin ms el calor de las prdidas por disponibilidad.

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RESUMEN CALCULO RENDIMIENTO ESTACIONAL RESUMENSegn las normas VDI el rendimiento medio estacional e se puede expresar mediante esta ecuacin:

hhu=

B

Bqu q

qhhh

=1

B

ie

q

+=

111

qB: : Prdidas por disponibilidad de servicio.prc: : Prdidas por conveccin y radiacin instantneas (fabricante). : Factor de carga.h: Horas totales de funcionamiento del generador a lo largo de una temporada; es decir: las horas en disposicin de servicio del generador.hu:Horas de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, necesarias para suministrar solamente el calor til demandado por la instalacin.hq: Horas totales de funcionamiento del quemador a lo largo de una temporada, en las que se suministra el calor til demandado por la instalacin ms el calor de las prdidas por disponibilidad. i :rendimiento instantneo .

rcrcB pqq 7,0==

Como se ha mencionado, no se estn tomando en consideracin las prdidas por inquemados por ser escasa su cuanta. Sin embargo, cabe resaltar que estas prdidas son importantes durante el rgimen transitorio de arranque del quemador. El nmero de arranques a lo largo de una temporada depende, esencialmente, de la relacin entre potencia de la caldera y demanda mxima de la instalacin y del tipo de regulacin del quemador (una marcha, dos marchas o modulante).En la figura 6 se reproduce la evolucin en el tiempo, es decir del ao de fabricacin de la caldera, del valor de las prdidas qB en funcin de la potencia de la caldera, que se deben a las mejoras de carcter tecnolgico que se han ido introduciendo en la fabricacin de estos equipos. Las curvas son vlidas para calderas construidas en Alemania y representan valores medios de diferentes fabricantes. Las curvas 1, 2, 3 y 4 son para calderas convencionales (en aquellas fechas no existan calderas de baja temperatura), mientras que la curva 5 es para calderas de baja temperatura.La tecnologa que actualmente se emplea en Espaa sita las calderas de fabricacin nacional cerca de la curva 3, alrededor de un cuarto de siglo atrs.

RENDIMIENTO ESTACIONAL

34

35

RENDIMIENTO ESTACIONAL Figura 6

Las curvas 1, 2, 3 y 4 son para calderas convencionales.La curva 5 es para calderas de baja temperatura.

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Figura 7

RENDIMIENTO ESTACIONALLa figura 7 representa la ecuacin (16), e en funcin de , para unas prdidas qBiguales al 2,7 %, con i como parmetro.

hhu=



)16(111 B

ie

q

+=

37

Figura 8

RENDIMIENTO ESTACIONALLa figura 8 representa la misma ecuacin, ahora para i igual al 88,1 %, con qBcomo parmetro.

)16(111 B

ie

q

+=

hhu=



38

RENDIMIENTO ESTACIONALAmbas figuras indican que el rendimiento medio estacional disminuye cuando disminuye el factor , es decir cuando disminuyen las horas de funcionamiento empleadas por el generador para suministrar calor al sistema de calefaccin, a paridad de horas totales de funcionamiento, o cuando, a paridad de horas de funcionamiento para suministrar energa al sistema, aumentan las horas totales de funcionamiento.

Tambin puede afirmarse que las prdidas por disponibilidad de la caldera qBaumentan al aumentar las horas en las que la misma est a disposicin del sistema sin suministrarle calor, es decir cuando el quemador entra en funcionamiento solamente para compensar estas prdidas.

En climas fros el factor es elevado y, en consecuencia, las prdidas qB por disponibilidad del generador son relativamente pequeas. Viceversa: en climas templados, tpicos de la climatologa espaola, cuando la caldera tiene que estar largos perodos de tiempo a disposicin del sistema de calefaccin sin suministrar calor, esas prdidas son elevadas.

)16(111 B

ie

q

+

=

hhu=

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RENDIMIENTO ESTACIONAL CALDERA CONVENCIONAL

En una caldera convencional las prdidas por radiacin y conveccin del cuerpo de la caldera prc y las de calor sensible en los humos ph son constante al variar la demanda del sistema de calefaccin porque la caldera debe trabajar a rgimen constante de temperatura (ver las consideraciones hechas sobre el punto de roco). Las calderas convencionales no pueden admitir temperaturas del agua de retorno inferiores a la temperatura de roco de los productos de la combustin (mnimo 70 C).En la figura 9 se representa el rendimiento estacional de una caldera convencional en funcin del coeficiente de carga , supuesto que el rendimiento instantneo a plena carga sea igual al 88,1% y que sea qB = 2,7 %. Figura 9 h

hu=

RENDIMIENTO ESTACIONAL CALDERA DE ALTO RENDIMIENTO

En una caldera de alto rendimiento (de baja temperatura o de condensacin) las prdidas por radiacin y conveccin del cuerpo de la caldera prc y las de calor sensible en los humos ph van disminuyendo a medida que disminuye la demanda del sistema de calefaccin porque disminuye la temperatura del agua de retorno y, en consecuencia, disminuyen tanto la temperatura de los humos como la temperatura media del cuerpo de la caldera.

Las calderas de alto rendimiento admiten temperaturas del agua de retorno inferiores a la temperatura de roco de los productos de la combustin (hasta 30 a 40 C) debido a la particular construccin de los tubos de humos (de doble o triple pared) o al uso de materiales especiales, como el acero inoxidable.

En la figura 10 se representa el rendimiento estacional de una caldera de alto rendimiento en funcin del coeficiente de carga , en la hiptesis de un rendimiento instantneo a plena carga igual al 93,2% y con un qB = 0,3%.

40

41

RENDIMIENTO ESTACIONAL CALDERA DE ALTO RENDIMIENTO

La diferencia entre los valores de qB de una caldera convencional y otra de alto rendimiento: 2,7% contra 0,3% respectivamente. Debe decirse, en honor a la verdad, que el valor de 0,3% es el que suministra un determinado fabricante; para otros fabricantes ese valor est entre el 0,6 y 0,8 %. An as, la diferencia es muy grande; la razn debe buscarse no solamente en el modo de funcionamiento de la caldera de alto rendimiento sino en el nivel de aislamiento trmico de la envolvente, como se ver ms adelante.

Figura 10hhu=

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COMPARACIN ENTRE LOS DIFERENTES TIPOS DE CALDERAS

En la figura 11 se representan las curvas de rendimiento estacional de los tres tipos de calderas (convencional, de baja temperatura y de condensacin) en funcin del coeficiente de carga , en las condiciones antes indicadas.Se nota la diferencia de rendimiento de las calderas, particularmente a carga parcial (zona rayada, con < 30%), situacin que se da con mucha frecuencia, incluso en zonas con condiciones climticas muy duras.

Figura 11 hhu=

43TABLA 10 MADRID

EJEMPLO 1En la tabla 10 se indican, para la ciudad de Madrid, las horas mensuales acumuladas en las que la temperatura exterior es igual o superior a -4,2 C (temperatura de diseo al nivel percentil del 99%) y a 0 C, 5 C, 10 C, 15 C y 20 C durante los meses de la temporada de calefaccin .Sin considerar las ganancias de calor debidas a la radiacin solar y a las cargas interiores por alumbrado, personas y aparatos y admitiendo que la demanda de la instalacin sea proporcional a la diferencia de temperatura entre locales,considerados a 20 C, y ambiente exterior, el porcentaje de demanda que debe satisfacer la central trmica es el indicado en la segunda columna de la tabla.

EJEMPLO (1)Se ha asumido una temperatura interior de 20 C a sabiendas de que este valor es inferior al que recomienda la norma europea experimental del CEN/TC 156/WG 6, ENV XXX (nmero an sin asignar por estar la norma en fase de encuesta pblica). Este valor vara, en funcin del uso del local, entre 20 y 22C. Para viviendas no deben emplearse temperaturas inferiores a 22 C, considerando que en estos locales la resistencia trmica de la vestimenta que las personas suelen llevar es bastante inferior a la que los mismos individuos llevan en edificios con otros usos y que, adems, su actividad metablica suele ser baja.Si se siguiera este criterio, los porcentajes de carga indicados en la tabla seran superiores; sin embargo, puede considerarse que la diferencia quede compensada por el hecho de no haber tenido en cuenta las cargas positivas antes mencionadas.La tabla 10 indica valores de carga en la central trmica en la hiptesis de que la instalacin funcione 24 horas al da.Este criterio de explotacin, normalmente empleado con reduccin nocturna de la temperatura, est justificado solamente en climas fros y muy fros o, en climas templados, solamente cuando las temperaturas estn muy cerca del valor de diseo (muy pocos das al ao).

44

45

EJEMPLO (1)Si el horario de funcionamiento de la instalacin es inferior a 24 horas diarias y, adems, est comprendido dentro de las horas diurnas, ms calurosas, es evidente que, al desplazarse las horas de funcionamiento hacia un campo de temperaturas ms elevadas, el tiempo durante el cual la central trmica debe trabajar a rgimen reducido aumenta de forma muy considerable.Desde otras tablas, tituladas Medias y desviaciones tpicas de temperaturas secas trihorarias, siempre para la ciudad de Madrid, se deducen las temperaturas medias desde las 9 hasta las 21 horas de la tabla 11:El detalle da por da de esas tablas indica que, dentro de esas horas, solamente desde mediados de diciembre hasta mediados de enero la temperatura puede bajar de 0 C en Madrid, siendo de -4,2 C la de diseo.Solamente durante el 1% de las 2.160 horas de los meses de diciembre, enero y febrero, en el ao meteorolgico medio, es decir durante 22 horas al ao, la temperatura exterior es igual o inferior a la de diseo.

TABLA 11

De lo anterior es fcil deducir que la central trmica trabajar ms del 50% de su tiempo a una carga inferior al 30% de la carga mxima, sin considerar, adems, el sobredimensionado de la misma para adaptar la demanda a la escala de potencia disponible en el mercado.Despus de estas consideraciones vulvase a estudiar la figura 11 y obsrvese la diferencia de rendimiento medio estacional de las dos calderas, la convencional y la de alto rendimiento, particularmente por debajo del 30% de la carga. Esa ventaja de puntos que adquieren las modernas calderas de alto rendimiento en situacin de carga parcial justifica plenamente su empleo.Cabe destacar que el factor de carga depende, entre otras cosas, del tipo de regulacin del quemador. Si la regulacin fuera del tipo modulante, el factor de carga tendera a la unidad porque se reducira el tiempo durante el cual la caldera estara en condiciones de disponibilidad; viceversa si la regulacin del quemador fuera del tipo todo-nada, evidentemente.

B

ie

q

+=

111

hhu=

B

Bqu q

qhhh

=1

rcrcB pqq 7,0==

46

En consecuencia, el tcnico har bien en pensar en modular la respuesta del quemador a la variacin de la demanda. Se recuerda que el antiguo Reglamento actualmente prescribe solamente un cierto nmero de escalones en funcin de la potencia de la central.En Alemania se admiten quemadores de una marcha (todo-nada) hasta potencias de 70 kW; por encima de esta potencia el quemador deber ser de dos marchas (todo-poco-nada) o modulante. El antiguo RITE en su ITE 02.6.2 prescribe para potencias superiores a 400 kWdos o ms generadores y el tipo de regulacin del quemador ser: P 100 kW una marcha (todo-nada); 100< P 800 kW dos marcha (todo-poco-nada); 800 kW>P modulante. El mayor costo de inversin que supone cualquier mejora en el diseo o en la tecnologa de los materiales debe ser siempre contrastado con el ahorro en la explotacin de la instalacin.

47

EJEMPLO (2)

TABLA 12LOCALIDADES

ALMERIA BARCELONA PONTEVEDRA MADRID LEON

DIAS CALEFACCIN

105 150 187 180 225

< 3C - - 210 530 1.230

> 3 15C 2.520 3.625 4.278 3.790 4.170

HORAS TEMPERATURA EXTERIOR

LEN (Tex = -6C y la T int = 20C el T= 26C )

Para Tex < 3C T= 26 100% carga 22,77% de las horas 1.230 horas

Para Tex > 3C T= 17 65,39% carga 77,23% de las horas 4.170 horas

48

49

NUEVO RITE (28/02/2008) IT 1.2.4 Caracterizacin y cuantificacin de la exigencia de eficiencia energtica.IT 1.2.4.1 Generacin de calor y fro.IT 1.2.4.1.1 Criterios generales1. La potencia que suministren las unidades produccin de calor o fro que utilicen energas convencionales se ajustar a la demanda mxima simultnea de las instalaciones servidas, considerando las ganancias o prdidas de calor a travs de las redes de tuberas de los fluidos portadores, as como el equivalente trmico de la potencia absorbida por los equipos de transporte de los fluidos.2. En el procedimiento de anlisis se estudiarn las distintas demandas al variar la hora del da y el mes del ao, para hallar la demanda mxima simultnea, as como las demandas parciales y la mnima, con el fin de facilitar la seleccin del tipo y nmero de generadores.3. Los generadores que utilicen energas convencionales se conectarn hidrulicamente en paralelo y se deben poder independizar entre s. En casos excepcionales, que deben justificarse, los generadores de agua refrigerada podrn conectarse hidrulicamente en serie.4. El caudal del fluido portador en los generadores podr variar para adaptarse a la carga trmica instantnea, entre los lmites mnimo y mximo establecidos por el fabricante.5. Cuando se interrumpa el funcionamiento de un generador, deber interrumpirse tambin el funcionamiento de los equipos accesorios directamente relacionados con el mismo, salvo aquellos que, por razones de seguridad o explotacin, lo requiriesen.

NUEVO RITE IT 1.2.4.1.2 Generacin de calorIT 1.2.4.1.2.1 Requisitos mnimos de rendimiento energtico de los generadores de calor.1. En el proyecto o memoria tcnica se indicar la prestacin energtica de la caldera los rendimientos a potencia nominal y con una carga parcial del 30 por 100 y la temperatura media del agua en la caldera de acuerdo con lo que establece el Real Decreto 275/1995, de 24 de febrero.2. Las calderas de potencia mayor que 400 kW tendrn un rendimiento igual o mayor que el exigido para las calderas de 400 kW en el Real Decreto 275/1995, de 24 defebrero.3. Quedan excluidos de cumplir con los requisitos mnimos de rendimiento del punto 1 los generadores de agua caliente alimentados por combustibles cuya naturaleza corresponda a recuperaciones de efluentes, subproductos o residuos, biomasa, gases residuales y cuya combustin no se vea afectada por limitaciones relativas al impacto ambiental.4. En el caso de generadores de calor que utilicen biomasa el rendimiento mnimo instantneo exigido ser del 75 % a plena carga.5. Cuando el generador de calor utilice biocombustibles slidos slo se deber indicar el rendimiento instantneo del conjunto caldera-sistema de combustin para el 100 % de la potencia mxima, para uno de los biocombustibles slidos que se prev se utilizar en su alimentacin o, en su caso, la mezcla de biocombustibles.

50

NUEVO RITE 6. Se indicar el rendimiento y la temperatura media del agua del conjunto caldera-quemador o conjunto caldera-sistema de combustin cuando se utilice biomasa, a la potencia mxima demandada por el sistema de calefaccin y, en su caso, por el sistema de preparacin de agua caliente sanitaria.7. Queda prohibida la instalacin de calderas de las caractersticas siguientes, a partir de las fechas que se indican a continuacin:

a) Calderas de tipo atmosfrico a partir del uno de enero de 2010.b) Calderas con un marcado de prestacin energtica, segn Real Decreto 275/1995, de 24 de febrero, de una estrella a partir del uno de enero de 2010.c) Calderas con un marcado de prestacin energtica, segn Real Decreto 275/1995, de 24 de febrero, de dos estrellas a partir del uno de enero de 2012.

51

NUEVO RITE IT 1.2.4.1.2.2 Fraccionamiento de potencia1. Se dispondr del nmero de generadores necesarios en nmero, potencia y tipos adecuados, segn el perfil de la demanda de energa trmica prevista.2. Las centrales de produccin de calor equipadas con generadores que utilicen combustible lquido o gaseoso, cumplirn con estos requisitos:a) Si la potencia trmica nominal a instalar es mayor que 400 kW se instalarn dos o ms generadores.b) Si la potencia trmica nominal a instalar es igualo menor que 400 kW y la instalacin suministra servicio de calefaccin y de agua caliente sanitaria, se podr emplear un nico generador siempre que la potencia demandada por el servicio de agua caliente sanitaria sea igualo mayor que la potencia del primer escaln del quemador.3. Se podrn adoptar soluciones distintas a las establecidas en el punto 2, siempre que se justifique tcnicamente que la solucin propuesta es al menos equivalente desde el punto de vista de la eficiencia energtica.4. Quedan excluidos de cumplir con los requisitos establecidos en el punto 2, los generadores de calor alimentados por combustibles cuya naturaleza corresponda a recuperaciones de afluentes, subproductos o residuos, como biomasa, gases residuales y cuya combustin no se vea afectada por limitaciones relativas al impacto ambiental.

52

NUEVO RITE 5. Los generadores atmosfricos a gas de tipo modular se considerarn como un nico generador, salvo cuando dispongan de un sistema automtico de independizacin del circuito hidrulico, de tal forma que se consiga la parcializacin del conjunto.

IT 1.2.4.1.2.3 Regulacin de quemadoresLa regulacin de los quemadores alimentados por combustible lquido o gaseoso ser, en funcin de la potencia trmica nominal del generador de calor, la indicada en la tabla 2.4.1.1.Tabla 2.4.1.1 Regulacin de quemadores

Potencia trmica nominal del generador de calor kW

Regulacin

P 70 Una marcha o modulante70 < P 400 Dos marchas (todo-poco-nada) o modulante

400 < P modulante

53

54

Las caractersticas constructivas principales de los generadores de alto rendimiento pueden resumirse en los siguientes puntos: Diseo especial de las superficies de intercambio entre humos y agua con el fin de aumentar la resistencia trmica (paredes dobles o triples) por medio de pequeas cmaras de aire entre las paredes, siendo la resistencia trmica progresivamente creciente en el sentido del movimiento de los humos. Empleo de materiales especiales (acero inoxidable) en el caso de calderas de condensacin. Superficies de intercambio trmico extendidas, con reduccin de la carga trmica (potencia transmitida) por unidad de superficie.Adems, se debe considerar el empleo de un sistema de control proporcional-integral-derivado (PID) que permita bajar la temperatura en rgimen de funcionamiento de la caldera en funcin de las condiciones exteriores.Estas caractersticas hacen posible que las calderas trabajen con temperaturas del agua de retorno de hasta 40 C, incluso menores, en lugar de mantener la temperatura mnima a 70 C, aproximadamente, como en las calderas convencionales. La reduccin de la temperatura media de funcionamiento de la caldera supone una sustancial mejora del rendimiento medio estacional debido a los siguientes factores:

CONCLUSIONES

9 Reduccin de las prdidas anuales qB (por disponibilidad) del cuerpo de la caldera, ligadas a las prdidas por radiacin y conveccin, en consideracin al hecho de que la caldera trabaja a pleno rgimen slo unas pocas horas al ao.9 Reduccin de las prdidas de calor sensible de los humos qh en las calderas de baja temperatura y de calor sensible y latente en las calderas de condensacin, por dos razones:

1. Las caractersticas constructivas de la caldera permiten que sta trabaje con una temperatura de los humos a plena carga entre 160 C y 180 C, en contra de los 230 C de una caldera convencional, aproximadamente.2. A carga parcial la temperatura media de los humos se reduce an ms, hasta una temperatura de 130 C al rgimen mnimo de funcionamiento, mientras que la caldera convencional la mantiene casi constante.

9 Reduccin de las prdidas por inquemados qi y, otra vez, por disponibilidad qB porque el quemador arranca un menor nmero de veces que una caldera convencional, al ser ms baja la temperatura mnima de funcionamiento.

CONCLUSIONES (2)

55

CONCLUSIONES (3)

56

Otra particularidad constructiva de las calderas de alto rendimiento est en el nivel de aislamiento trmico de la envolvente (unos 100 mm de fibra de vidrio de alta densidad), en contra de los 30 a 40 mm de las calderas convencionales. Este aislamiento, junto con el aislamiento refractario en puerta y caja de humos y con la refrigeracin de la puerta en calderas grandes y medianas, contribuye a la reduccin de las prdidas por radiacin y conveccin qrc y, en consecuencia y una vez ms, a las prdidas por disponibilidad qB .Las calderas de alto rendimiento tienen, como se ha mencionado antes, una reducida carga trmica en el hogar con respecto a las calderas convencionales. Serecuerda, por mera curiosidad, que hace unos 35 aos las calderas con hogar en sobrepresin (hoy en da calderas convencionales) empezaron a sustituir a las calderas con hogar en depresin (calderas denominadas marina). Esta tecnologa, nueva para aquellos aos, permiti reducir el tamao del generador de forma espectacular, aprovechando la turbulencia de los gases en la cmara de combustin para aumentar la carga trmica en el hogar y, al mismo tiempo, el rendimiento del generador. Ahora se da un pequeo paso atrs en cuanto a carga trmica, lo que redunda en alargar la vida media de la caldera a paridad de calidad del acero empleado, y hacia adelante en cuanto a rendimiento.

57

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADO (1)EL RENDIMIENTO ESTACIONAL COMO NDICE DE LA RENTABILIDADPara certificar el aprovechamiento energtico de las instalaciones de calderas, actualmente se utiliza un gran nmero de ndices comparativos. No obstante, el nico ndice razonable para evaluar el aprovechamiento energtico es el RENDIMIENTO ESTACIONAL.RENDIMIENTO ESTACIONAL: Relacin entre la cantidad de calor de calefaccin cedida anualmente al sistema y la cantidad de calor de combustin (energa del combustible) aportada al generador.

RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADO:Dependiendo del uso especfico, el rendimiento estacional normalizado indica el aprovechamiento energtico de una instalacin de calefaccin concreta. No obstante, para determinar el rendimiento normalizado, es preciso conocer con exactitud la instalacin y el uso que se le da. Para poder comparar entre s diferentes generadores de calor, desde el punto de vista del aprovechamiento energtico, se introdujo el concepto de rendimiento estacional normalizado en la norma DIN 4702, parte 8.

58

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADO (2)El rendimiento normalizado incluye todas las prdidas de una caldera de calefaccin (prdidas por humos, prdidas por radiacin y prdidas por disposicin de servicio), que vienen determinadas fundamentalmente por la temperatura del agua de caldera y por la carga de la misma.Los rendimientos estacionases normalizados a carga parcial se determinan segn la norma DIN 4702, parte 8, y a partir de estos rendimientos parciales se calcula el rendimiento estacional.

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADOEl clculo del rendimiento estacional normalizado se basa en registrar, por procedimientos tcnicos de medida, 5 rendimientos, diarios o con cargas parciales, en puntos de rgimen normalizados y fijos. Estos cinco puntos de rgimen se basan en una distribucin normalizada y vlida de frecuencias de la temperatura exterior.

El rendimiento estacional normalizado es la relacin del sumatoria de las cantidades de calor til de calefaccin y del sumatoria de las cantidades de calor de combustin determinadas para dichos puntos de rgimen.

59

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADO (3)

Rendimiento con carga parcialSegn DIN , parte 8 : Caldera: Vertomat(condensada a gas)Potencia til 370 kW.Rendimiento estacionalnormalizado para: 90/70 C = 103,8 % 75/60 C = 106,7 % 40/30 C = 109,0 %

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO ESTACIONAL NORMALIZADO (2)

En la tabla se recogen los valores para determinar el rendimiento normalizado. Para la caldera de condensacin a gas Vertomat (370 kW), el rendimiento normalizado es del 106,7% con una temperatura de proyecto de la instalacin de calefaccin de 75/60C.

%7,106046854,0

51

55

1 ,

====i id

N

60

EJEMPLO (3) CALDERA CONVENCIONAL. Combustible : Gasleo CPotencia trmica til: 100 kWTemperatura del agua de caldera > 70 CRendimiento N = 80 %PCI: 10 kWh/lHoras de funcionamiento del quemador: hg = 1800 h/aoConsumo anual de combustibleCa = (Pu hg) / ( PCI N ) = (100 1.800)/(10 0,8) = 22.800 litros/ao

CALDERA DE BAJA TEMPERATURA (Paromat-Triplex-RN )Combustible : Gasleo CPotencia trmica til: 100 kWReduccin progresiva de la temperatura del agua de la calderaRendimiento N = 95 %Horas de funcionamiento del quemador: hg = 1800 h/aoConsumo anual de combustibleCa = (Pu hg) / ( PCI N ) = (100 1.800)/(10 0,95) = 18.950 litros/ao AHORRO : 22.800 18950 = 3.850 litros/ao 61

62

REFERENCIAS1. Directiva 92/42/CEE del Consejo de 21 de mayo de 1992 relativa a los

requisitos de rendimiento para las calderas nuevas de agua caliente alimentadas con combustibles lquidos o gaseosos.

2. UNE EN 303-1-93: Calderas de calefaccin. Calderas con quemador de tiro forzado. Parte 1: Terminologa, especificaciones generales, ensayos y marcado.

3. UNE EN 303-2-93: Calderas de calefaccin. Calderas con quemador de tiro forzado. Parte 2: Requisitos especiales para calderas con que-madores de combustibles lquidos por pulverizacin.

4. DIN 4702: Heizkessel. Ermittiung des Norm-Nut-zungsgrades und des Norm-Emissionfaktors. (Calderas de calefaccin. Clculo del rendimiento estacional y de la emisin especfica.)

5. VDI 2067: Berechnung der Kosten von Warme-versorgungsantagen. Betriebstechnische und wirtschaftiiche Grundiagen. (Fundamentos tcnicos y econmicos para el clculo de los costos de explotacin de instalaciones de suministro de calor.)

63

REFERENCIAS6. VDI 3808:Energiewirtschaftiiche Beurteilungs-kriterien frheizungsanlagen. (Criterios de valoracin energtica de instalaciones de calefaccin.)

7. Recknagel-Sprenger-Hbnmann: Manual tcnico de calefaccin y aire acondicionado. Vol. 1: Calefaccin. Traducido de la 65 edicin alemana. BelliscoLibrera Editorial.

8. CEN/TC 156 N 182 E- Ventilation for buildings. Design criteria for the indoor environment. (4 de febrero de 1994) (Ventilacin para los edificios. Criterios de diseo para el ambiente interior.)

9. ATECYR: Condiciones de diseo. Datos climticos. Programa de investigacin de ATECYR e Instituto Nacional de Meteorologa. Tablas de distribucin de frecuencias de temperaturas secas trihorarias.

Por Alberto VITI** Dr. Ingeniero Industrial. Universidad de Roma. El autor agradece la valiosa colaboracin de la empresa VIESSMANN, S. L., al proporcionar informacin, documentacin y normas alemanas citadas en el texto, as como algunos de los grficos.

CLCULO DEL RENDIMIENTOINSTANTANEO DE:

CALDERAS DE POTENCIA NOMINAL SUPERIOR A 100 kWPARA CALEFACCIN Y A.C.S.

GENERADORES DE VAPOR64

CLCULO DEL RENDIMIENTO INSTANTANEO DE CALDERAS DE POTENCIA NOMINAL SUPERIOR A 100 kW PARA CALEFACCIN Y A.C.S.

Segn Orden de 8 de abril de 1983 por la que se dan normas para la determinacin del rendimiento de calderas de potencia nominal superior a 100 kW para Calefaccin y Agua Caliente Sanitaria.

(B.O.E. nm. 91, de fecha 16 de abril de 1983).

65

CLCULO DEL RENDIMIENTO INSTANTNEO DE CALDERAS

El rendimiento instantneo vendr dado por la relacin entre la energa que se aprovecha y la energa que se consume o mejor dicho la diferencia entre la energa que entra en la caldera, aportada por el combustible, y la energa que se pierde. Este rendimiento estar calculado en funcin del Pci del combustible. Para esto hemos de definir una serie de conceptos:

Rendimiento = 100 qhs qi qrc

qhs = Prdidas por calor sensible, expresadas en % del Pciqi = Prdidas de calor por inquemados, expresadas en % del Pci.qrc = Prdidas de calor (por radiacin, conveccin) en la caldera, expresadas

en % del Pci.

66

CLCULO DE qhsGENERADORES FUNCIONANDO CON CARBN

[ ] [ ]COCOttKq ahhs +

=2

en la queth = Temperatura de humosta = Temperatura ambienteK = una constante cuyo valor se tomar como 0,68.

67

CLCULO DE qhsGENERADORES FUNCIONANDO CON COMBUSTIBLES LQUIDOS

68

Siendo para gasleo C Qhs = (0,238 + 3,768n) ( th - ta )para Fuel n1 Qhs= (0,206 + 3,6n) ( th - ta )

n = Exceso de aire empleado:Cuando [CO]0,1% y siendo = 100 [CO2] [CO]

100=PciQq hshs

[ ]279,021,021,0

Oxxn =

[ ] [ ]COOyyn

79,058,142,042,02 =

CLCULO DE qhsGENERADORES FUNCIONANDO CON COMBUSTIBLES GASEOSOS

100=PciQq hshs

gas ciudad Qhs = (0,245 + 1,196n) ( th ta )gas natural Qhs = (0,368 + 3,641n) ( th ta )propano Qhs = (0,711 + 8,528n) ( th ta )butano Qhs = (0,811 + 9,961n) ( th ta )

Siendo n: [ ][ ]222190,01 O

On +=69

70

CLCULO DE qiGENERADORES FUNCIONANDO CON CARBN[ ]

[ ] [ ]260 COCOCOqi +=

GENERADORES FUNCIONANDO CON COMBUSTIBLES LQUIDOS

GENERADORES FUNCIONANDO CON COMBUSTIBLES GASEOSOS

[ ][ ] [ ]295 COCO

COqi +=

[ ][ ] [ ]235 COCO

COqi +=gas ciudad propano

gas natural butano

[ ][ ] [ ]284 COCO

COqi +=

[ ][ ] [ ]272 COCO

COqi +=[ ]

[ ] [ ]275 COCOCOqi +=

CLCULO DE qrc100

nrc P

Qq =Pn = potencia nominal de la calderaQ = prdidas en la caldera.

Es un dato que debe ser suministrado por el fabricante de la caldera.

Q = qp + qt + qe

qp = Sp 12 (tp ta)qt = St 12 (tt ta)qe = Se 10 (te ta)

Siendo: Sp = superficie del frontal de la calderaSt = superficie trasera de la calderaSe = superficie lateral de la calderatp = temperatura superficial frontal de la calderatt = temperatura superficial trasera de la calderate = temperatura superficial envolvente de la calderata = temperatura ambiente en la sala de la caldera

71

CLCULO DEL RENDIMIENTOINSTANTANEO DE GENERADORES DE VAPOR

72

BALANCE DE MASA Y ENERGA

aportadocalortilcalorE =RENDIMIENTO

BALANCE DE MASA DE LOS FLUIDOS QUE PARTICIPAN Y BALANCE DE ENERGA DE CALORES APORTADOS, PRDIDAS, Y CALORES TILES

CALDERA

CombustibleWc (PCI)

PurgasWp =(Wag - Wv), ip

gasWg , tg

ComburenteaireWa , ta

AguaalimentacinWag , iag

VaporWv , iv

PrdidasP

73W = Caudal ; i = entalpa ; C = calor especfico


74

Wag = Caudal de agua de alimentacin (kg/h)iag = Entalpa de agua de alimentacin (kcal/kg)Wv = Caudal de vapor (kg/h)iv = Entalpa del vapor (kcal/kg)Wp = Caudal de purgas (kg/h)ip = Entalpa de agua de purgas (kcal/kg)Wc = Caudal de combustible (kg/h)(PCI)h = Poder calorfico inferior hmedo del combustible (kcal/kg)Wa = Caudal de aire de combustin (kg/h)ta = Temperatura del aire de combustin (C)Ca = Calor especfico del aire (kcal/kg C)Wg = Caudal de gases de combustin (kg/h)tg = Temperatura de gases de combustin (C)Cg = Calor especfico de los gases (kcal/kg C)P = Prdidas (kg/h)


ENTRADAS MASA DE LOS FLUIDOS

ENERGA ENTRANTE

Combustible Wc Wc (PCI)hAire Wa Wa Ca taAgua Wag Wag iag

SALIDAS MASA DE LOS FLUIDOS

ENERGA SALIENTE

Vapor Wv Wv ivGases Wg Wg Cg tgPurgas Wp (Wag - Wv ) ipPrdidas - P

75

BALANCE DE MASA Y ENERGAPRDIDAS

PRDIDAS PARA COMBUSTIBLES LQUIDOS O GASEOSOS PRDIDAS DEBIDAS A HUMEDAD EN EL AIRE PRDIDAS DEBIDAS AL CALOR EN EL VAPOR DE ATOMIZACIN PRDIDAS EN INQUEMADOS PRDIDAS POR RADIACIN Y CONVECCIN EN SUPERFICIES

EXTERIORES PRDIDAS DEBIDAS A HUMEDAD EN EL COMBUSTIBLE

ADEMS PARA COMBUSTIBLES SLIDOS: PRDIDAS DEBIDAS POR CARBONO INQUEMADO PRDIDAS POR CALOR SENSIBLE EN ESCORIAS PRDIDAS POR CALOR SENSIBLE EN POLVOS DE LOS GASES PRDIDAS POR CALOR EN REINYECTADOS PULVERIZADOS

76


( ) PiWWtCWiWiWtCWPCIW pvaggggvvagagaaahc +++=++ )(De donde

( ) ( ) PtCWtCWiiWiiWPCIW aaagggagpagpvvhc +++= )(Para sistemas de tratamiento de agua muy sofisticados las purgas de caldera suelen ser muy pequeas Wag = Wv .Como los gases de combustin estn formados fundamental por el aire aportado.Se puede admitir que Wa = Wg . Con lo que se tiene :

( ) ( ) PttCWiiWPCIW agagagvvhc ++= )(77

CLCULO DEL RENDIMIENTO

A) MTODO DIRECTOBASADO EN MEDIDAS DIRECTAS REALIZADAS DE ALGUNOS PRAMETROS:

Q = Calor total aportado por el combustible (kcal/h) = Wc (PCI)h( )(%)100

:

QiiW

EORENDIMIENT agvv=

B) MTODO INDIRECTO DE PRDIDAS AISLADASBASADO EN ANALIZAR LAS PRDIDAS Y A PARTIR DE ELLAS OBTENER EL RENDIMIENTO (PRDIDAS SEPARADAS)

78

CLCULO DEL RENDIMIENTOB) MTODO INDIRECTO DE PRDIDAS AISLADAS

79

80

B) MTODO INDIRECTO DE PRDIDAS AISLADASB.1 COMBUSTIBLES SLIDOS O LQUIDOS

1. PRDIDAS POR CALOR SENSIBLE DE LOS HUMOS P1:

( )( ) 100

1

h

aggFH

PCIttCG

P=

P1 = prdidas calor sensible humos [ % s/(PCI)h] GHF= Caudal humos totales (kg humos/kg comb.) Cg = Calor especfico humos (kcal/kg humos C)

Cg = M+Nt tg = temperatura humos salida (C) ta = temperatura aire entrada (C) Tablas A.8; A.9 y A.10 GHF , M y N. Tablas A.13; A.14 y A.15 P1 en % s/(PCI)h

APROXIMADAMENTE SIEGGERT

( ) 100 221 SOCOtt

KP ag +=

(CO2+SO2) = concentraciones de CO2 y SO2 en los humos

Hulla : K = 0,63Antracita : K = 0,68Fuelleo : K = 0,56


2. PRDIDAS POR INQUEMADOS P2 [% sobre (PCI)h]:

( )( ) ( )

++= 651000310021

21

22

OPCHCOO

P

P2 = Prdidas por inquemados [% sobre (PCI)h](O2) = % de O2 en los gases (CO) = ppm de CO en los gases (CH) = ppm de CH en los gases (hidrocarburos) OP = Opacidad de los gases (%)

81


3. PRDIDAS POR RADIACIN Y OTROS P3:P3 = Prdidas por radiacin se calculan en % sobre el (PCI)h para diferentes capacidades de vaporizacin

Vaporizacin mxima 10 t/h 50 t/h 100 t/hP3 = % prdidas 4,5 2 1,75

A carga parcial las prdidas por radiacin y otros en %, son inversamente proporcional al % de carga

4. PRDIDAS TOTALES P = P1 + P2 + P3:

P = P1 + P2 + P3 [% sobre (PCI)h]5. RENDIMIENTO E :

E = 100-P [% sobre (PCI)h] 82

83

B) MTODO INDIRECTO DE PRDIDAS AISLADASB.2 COMBUSTIBLES GASEOSOS

1. PRDIDAS POR CALOR SENSIBLE DE LOS HUMOS P1:

( )( ) 100

1

h

aggFH

PCIttCG

P=

P1 = prdidas calor sensible humos [ % s/(PCI)h] GHF= Caudal humos totales (kg humos/kg comb.) Cg = Calor especfico humos (kcal/kg humos C)

Cg = M+Nt tg = temperatura humos salida (C) ta = temperatura aire entrada (C) Tablas A.11 y A.12 GHF , M y N. Tablas A.16 y A.17 P1 en % s/(PCI)h

B) MTODO INDIRECTO DE PRDIDAS AISLADASB.2 COMBUSTIBLES GASEOSOS

2. PRDIDAS POR INQUEMADOS P2 [% sobre (PCI)h]:

( )( ) ( )

++= 651000310021

21

22

OPCHCOO

P

P2 = Prdidas por inquemados [% sobre (PCI)h](O2) = % de O2 en los gases (CO) = ppm de CO en los gases (CH) = ppm de CH en los gases (hidrocarburos) OP = Opacidad de los gases (%)

84


3. PRDIDAS POR RADIACIN Y OTROS P3:P3 = Prdidas por radiacin se calculan en % sobre el (PCI)h para diferentes capacidades de vaporizacin

Vaporizacin mxima 10 t/h 50 t/h 100 t/hP3 = % prdidas 4,5 2 1,75

A carga parcial las prdidas por radiacin y otros en %, son inversamente proporcional al % de carga

4. PRDIDAS TOTALES P3:

P = P1 + P2 + P3 [% sobre (PCI)h]5. RENDIMIENTO E :

E = 100-P [% sobre (PCI)h] 85

CLCULO DE CONSUMO DE COMBUSTIBLEA) CONSUMO PUNTUAL

( )( ) )//(

3 hNmhkgenEPCIiiW

Wh

agvvc

=Wv = Caudal de vapor (kg/h)

iv = Entalpa del vapor (kcal/kg)

iag = Entalpa del agua que se aporta a la caldera (kcal/kg)

(PCI)h = Poder calorfico inferior hmedo del combustible (kcal/kg kcal/Nm3 )

E = Rendimiento (en tanto por uno)

86

B) CONSUMOS Y AHORROS CUANDO SE INSTALANEQUIPOS DE RECUPERACIN DE CALORB.1 CUANDO EL CALOR RECUPERADO SE INCORPORA A LA

MISMA CALDERA.

( ) ( ) FaghgFH PttPCICG

E = 1

Cuando se instala un recuperador de calor, tal como un economizador de aire, integrado en la misma caldera. Los gases salen a tg . Siendo PF las prdidas fijas (en tanto por uno) y despreciables por inquemados.

RENDIMIENTO DE LA CALDERA SIN RECUPERADOR

GHF= Caudal humos totales (kg humos/kg comb.)Cg = Calor especfico humos (kcal/kg humos C

( ) ( ) FaghgFH PttPCICG

E = 1RENDIMIENTO DE LA CALDERA CON RECUPERADOR

Como tg < tg , se cumple que E > E

87

88

B) consumos y ahorros cuando se instalanequipos de recuperacin de calorB.1 CUANDO EL CALOR RECUPERADO SE INCORPORA A LA

MISMA CALDERA.

( )( ) hNmhkgenEPCI

iiWWh

avvc //

3=CONSUMO DE COMBUSTIBLE SIN RECUPERADOR

CONSUMO DE COMBUSTIBLE CON RECUPERADORLuego Wc < WcAHORRO : Wc - Wc (en kg Nm 3 de combustible/h)

( )( ) hNmhkgenEPCI

iiWWh

avvc //

3

=

hhumoskg

combkghumoskg

hcombkgGWW FHcg === .

.

CAUDAL DE GASES

hhumoskg

combkghumoskg

hcombkgGWW FHcg === .

.

Por tanto : Wg < WgLos gases salen a menor t

Al quemar menos combustible,El caudal de gases es menor


MISMA CALDERA.

AHORRO PUNTUAL : Wc - Wc

AHORRO ANUAL = INTEGRACIN DE LOS AHORROS PUNTUALES

Hay que conocer la curva de variacin de la carga (no se conoce)

Mtodo aproximado conocimiento de la CARGA MEDIA ; E y E

89

90


MISMA CALDERA.

CONSUMO MEDIO DE COMBUSTIBLE SIN RECUPERADOR )/( hkgNFA

Siendo FA: Consumo anual de combustible (kg/ao), sin recuperador N: nmero de horas anual

CALOR TIL ( ) )/( hkcalPCIENF

hA

CONSUMO MEDIO DE COMBUSTIBLE CON RECUPERADOR

)/( hkgEE

NFA

CONSUMO ANUAL DE COMBUSTIBLE CON RECUPERADOR

)/(1 aokgEEF

EEFF AAA

= AHORRO ANUAL

)/( aokgEEFA

91


MISMA CALDERA.Normalmente el ahorro es mayor que el que se obtiene de:

)/(1 aokgEEF

EEFF AAA

= DEBIDO A:Los valores tericos de consumo son inferiores a los que se obtienenen la practica industrial.Al instalar un recuperador se mejoran en general los aislamientostrmicos.Al instalar un recuperador se mejora, normalmente, la eficiencia dela combustin. Esto es ms acusado en el caso de la instalacin decalentadores de aire.Al instalar un recuperador, se produce, en general, una reaccinfavorable de los operarios, de forma que con su intervencin manualmejoran la eficiencia de las unidades.

92

B) CONSUMOS Y AHORROS CUANDO SE INSTALANEQUIPOS DE RECUPERACIN DE CALORB.2 CUANDO EL CALOR RECUPERADO NO SE INCORPORAA LA MISMA CALDERA.El rendimiento terico y los consumos en la caldera permanecen constantes. Existe un ahorro que se obtiene en otra parte de la planta. Para calcular este ahorro debe considerarse el rendimiento en la aportacin del calor.

)/()(

hkgPCIEX

h

X = Cantidad de calor transmitida por los gases al aguaEL AHORRO MEDIO QUE SE OBTENDR SER:

Si la instalacin trabaja N horas al ao el AHORRO ANUAL MNIMO ser:

ecombustibldeaokgPCIENX

h

)/()(

PRODUCCIN APROXIMADA DE VAPORPOR UNIDAD DE COMBUSTIBLE

agv

h

agv

hv ti

PCIE

Eti

PCIG ==)()(

iv = Entalpa del vapor (kcal/kg)

tag = temperatura del agua que se aporta a la caldera (C)

(PCI)h = Poder calorfico inferior hmedo del combustible (kcal/kg kcal/Nm3 )

E = Rendimiento total de la caldera (en tanto por uno)

Gv = Produccin de vapor por unidad de combustible (kg vapor/unidad de combustible)

93

94

EJEMPLOS PRODUCCIN DE VAPORCALDERA Agua de alimentacin : entra a 105 C Se obtiene vapor sobrecalentado a 6 kg/cm2 y 170 C Entalpa vapor = 664,7 kcal/kg (tabla C.1).

1. CALDERA DE FUELLEO n 1Rendimiento tpico E= 85% (PCI)h = 9.600 kcal/kg de fuelleoiv = 664,7 kcal/kgtag = 105 C

fuelleokgvaporkgti

PCIE

Eti

PCIGagv

h

agv

hv /58,141057,664

960085,0)()( ====

PRODUCCIN DE VAPOR EN CALDERAS DEFUELLEO : 13 a 15,5 kg vapor/kg de fuelleo

95


2. CALDERA DE CARBNRendimiento tpico E= 75% (PCI)h = 6.500 kcal/kg de carbniv = 664,7 kcal/kgtag = 105 C

carbnkgvaporkgti

PCIE

Eti

PCIGagv

h

agv

hv /71,81057,664

650075,0)()( ====

PRODUCCIN DE VAPOR EN CALDERAS DECARBN : 8 a 10 kg vapor/kg de carbn

96


3. CALDERA DE GAS NATURALRendimiento tpico E= 90 % (PCI)h = 9.300 kcal/Nm3 de gas naturaliv = 664,7 kcal/kgtag = 105 C

naturalgasNmvaporkgti

PCIE

Eti

PCIGagv

h

agv

hv

3/95,141057,664

93009,0)()( ====

PRODUCCIN DE VAPOR EN CALDERAS DEGAS NATURAL : 14 a 16 kg vapor/Nm3 de gas natural

EJEMPLO CALDERA DE FUELLEOProduccin de vapor caldera : 40.000 kg/h Se obtiene vapor sobrecalentado a 30 kg/cm2 y 400 C Prdidas fijas P3 = 3%

MEDICIONES:% O2 = 4 % CO en gases = 100 ppmHidrocarburos de gases = 200 ppmOpacidad de gases : 10 % Temperatura de gases : 180 C Temperatura ambiente : 20 C Temperatura agua de alimentacin : 100 C

CALCULAR EL RENDIMIENTO Y EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE

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EJEMPLO CALDERA DE FUELLEOCALCULAR P1Tabla A.13 con (O2)= 4% y (tg ta) = (180-20)= 160Cse obtiene CALCULAR P2 (prdidas por inquemados)

%2,71 =P

%48,06510

1000200

3100100

42121

2 =

++=P

P = P1 + P2 + P3 = 7,2+0,48+3= 10,68 %CALCULAR P (prdidas totales)

CALCULAR EL RENDIMIENTO

E = 100 (P1 + P2 + P3 ) = 100 - 10,68 = 89,32 %

98

99

EJEMPLO CALDERA DE FUELLEOCONSUMO DE COMBUSTIBLETabla C.1 Entalpa vapor a 30 kg/cm2 abs y 400C=771,5 kcal/kgTabla B.1 Entalpa agua de alimentacin a 100C= 100,04 kcal/kgCALOR ABSORBIDO POR EL VAPOR :( ) hkcaliiW agvv /400.858.26)4,1005,771(000.40 ==CONSUMO DE COMBUSTIBLE

( )( ) hkgEPCI

iiWW

h

agvvc /132.38932,0600.9

400.858.26

===Siendo el (PCI)h del FO n1 = 9.600 kcal/kg (tabla A.2)

Tabla A.13 17,13 kg/kg de combustibleGASES PRODUCIDOS

hkgGWW gcg /651.5313,17132.3 ===

EJEMPLO CALDERA DE FUELLEOAIRE CONSUMIDO EN LA COMBUSTIN

ecombustiblkgkg /13,16)113,17( =hkgWa /519.5013,16132.3 ==

RENDIMIENTO CON EQUIPOS AUXILIARES( )( ) 100

.. auxequiposabshc

agvv

PPCIWiiW

E +=

POTENCIAS ABSORBIDAS POR EQUIPOS AUXILIARES:Motobomba de agua de alimentacin : 175 kWMotoventilador: 80 kWGrupo preparacin F.Oil. : 125 kWTOTAL 280 Kw = 240.800 kcal/h

%61,88800..240600.9132.3

100400.858.26 =+=E 100

tablas COMBUSTIN

101

BIBLIOGRAFALuis Alfonso Molina Igartua ; Gonzalo Molina Igartua. Manual de Eficiencia Energtica Trmica en la Industria . CADEN (Grupo EVE). Bilbao 1993.

118

lecciÓn 13 rendimiento calderas

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